火箭外壳厚度为何只有几毫米？

 

看到长征五号这个身高数十米的庞然大物，很可能让人产生一种误解：这个大火箭的外壳肯定特别厚重，才能足够坚固。

 

 

“胖五”垂直转运前往发射塔架 中国运载火箭技术研究院孙浩摄

 

但事实上，常用的火箭壳体“蒙皮”的厚度仅在1.2毫米~2毫米，而整流罩的“蒙皮”最薄处仅有0.3毫米。（咦为什么想到了冰皮月饼……）

 

 

运载火箭壳体蒙皮 供图：中国运载火箭技术研究院新闻中心

 

打了一个比方，如果把火箭比作一个成年人，把壳体比作成年人的外衣，那么这层外衣可谓“薄如蝉翼”。

 

那么，这个所谓的“蒙皮”为什么这么薄？

 

“蒙皮”的主要材料为铝合金，这种材料强度高、耐腐蚀、重量轻、成本低，在长征三号甲系列、长征二号F等火箭飞行过程中综合性能最好，是做“蒙皮”的最佳选择。

 

更为重要的是，铝合金材料轻，可以为火箭减轻重量，人们形容火箭是“薄皮大馅”，“蒙皮”薄了，就可以装更多的燃料，“举”起更重的卫星。

 

 

火箭外壳设计得这么薄，主要是为了让火箭减重，增加有效载荷。火箭的重量减轻一公斤，有效载荷就可以增加一公斤，卫星和飞船的重量同样也可以增加一公斤，为宇航员上天和飞行器上天提供更多保障。

 

 

而人们通常形容火箭是“薄皮大馅”，主要的重量都在火箭肚子里的燃料上。可燃料都是“死重量”，是不能随意增减的，所以，火箭设计师们就把心思动在了火箭的外壳上，把火箭的外壳变薄，目的就是为了给火箭减重。

 

它能保证火箭的坚固性吗？

 

火箭的外壳其实是由多个部分组成。包括蒙皮、桁条和框环。框环和桁条组成一个圆柱型的框架，通过铆接与蒙皮组合到一起。蒙皮主要是起到维持形状、传递剪力、安装仪器电缆等作用；而桁条则是起到纵向主支撑力的作用。桁条、框环和蒙皮之间的关系就像是灯笼里的竹条和外面的纱罩。我们通常所见到的火箭“外壳”，其实只是它的“蒙皮”。

 

 

火箭“蒙皮”很薄、很软，但根据受力分析进行科学计算、结构优化后，用铆钉把“蒙皮”和框架固定，每一壳段有上千个铆钉，这样就保证了整体结构的强度和刚度。在发射过程中，无论受到哪个方向的外力，都不会影响火箭的飞行。

 

不过，如果“蒙皮”过薄，靠不断加密内部框架来保证坚固性的话，反而会使壳体重量增加，达不到预期效果。也因此，设计人员要计算出“蒙皮”和框环、桁条的最佳配比，既保证用最少的材料，又保证箭体坚固、可靠。

 

 

长征五号大火箭整流罩的“蒙皮”面板厚度只有0.3毫米，在相同刚度下，火箭壳段的重量将减少10%以上。根据箭体结构设计人员李操的说法，这样，火箭就能在保证坚固的前提下，装上更多的燃料，把有效载荷顺利送入轨道了。

 

 

下面咱们听听211厂15车间主任沙庆涛为我们揭秘火箭外壳厚度为什么这么薄：

 

 

所以，尽管火箭的外壳和鸡蛋壳一样薄，但它能够保证火箭在飞行过程中的足够牢固。

 

除此之外，我国新一代火箭贮箱也很薄，壁厚仅1毫米！

 

 

上图中的火箭贮箱箱底直径3.35米，壁厚仅1毫米，径厚比为3350：1，属于超大径厚比薄壁结构，这种结构导致产品刚性极差，加工难度大。

 

 

航天科技集团一院长征二号F运载火箭总设计师容易打了个更直观的比方：大家生活中喝的可口可乐的罐子，一定觉得它很薄，如果我们要让它的承载能力做的和我们火箭的贮箱一样，可口可乐的罐子还可以减薄三分之二。

 

参考文献

[1]中国运载火箭技术研究院：【火箭揭秘】你想象不到火箭的外壳有多厚

[2]央视军事：【冷知识】火箭外壳厚度为何只有几毫米？

[3]中青报·中青在线：3个不为人知的长五细节：玩漂移、箭壳薄如蝉翼、冰箭不冷

[4]中国运载火箭技术研究院：【你知道吗】火箭外壳最薄处仅有0.8毫米 犹如鸡蛋壳

[5]中国青年报客户端壁厚仅1毫米！我国新一代火箭贮箱箱底诞生

 

来源：直观学机械  转自航空制造网微信号